宽带放大器设计报--最终版1

宽带直流放大器（2009年C题）摘要基于C8051F005单片机为控制器，设计并实现了一个宽带直流放大器，通过四级直接耦合放大，放大倍数为0-60dB，通频带为0-10MHz。

在通频带内增益起伏≤1 dB；通过外置键盘实现增益可控预置，步距为5dB；并由800*480的彩色LCD同步显示增益预置值和增益步进值，屏幕界面直观清晰；利用单个元器件的漂移特性，巧妙采用放大级正向、反向输入端，有效的抑制了零漂。

各项指标完全满足题设要求。

关键词：直流放大器抑制零漂增益带宽积1引言随着微电子技术的发展，宽带直流放大器在科研中具有重要作用。

宽带直流放大器广泛应用于低频信号放大、波形发生器、视频放大器等电路。

本次设计完成的宽带直流放大器要满足如下要求：（1）输入电压有效值V i ≤10 mV ，输入电阻≥50Ω，在负载电阻为（50±2）Ω时，输出电压有效值V o ≥10V 。

系统的3 dB 通频带在0~5MHz 和0~10MHz 之间变换，能预置并显示通频带、放大倍数，放大倍数步进可调且可手动连续调节。

在0~9MHz 的通频带内，电压增益起伏≤1 dB 。

（2）系统最大增益不小于60 dB ，并且在增益为60 dB 时，输出噪声电压的峰峰值要不大于0.3V 。

系统所用电源自制，尽量降低制作成本并提高电源效率。

系统的设计框图如图1所示。

图1 宽带直流放大器系统框图输入信号通过前置放大器实现了输入电阻≥50Ω的要求，经放大倍数最大为60dB 、通频带为10MHz 的中间级放大器，将信号放大至1000倍，再经过通频带选择网络实现放大器通频带预置，最后经末级放大器达到了输出功率的指标要求。

整个过程中，控制器控制电压增益和通频带带宽的预置输入与显示。

2方案设计2.1设计思路为达到设计要求，放大器必须采用多级直接耦合连接方式，因此本次设计的关键在于抑制零点漂移和通频带的扩展，这恰是本设计的难点和重点，整个设计始终围绕这两点展开。

2.2方案比较与选择通过以上分析我们拟定如下方案：方案一：以FPGA 为主控制器，通过A/D 转换对输入信号（in V ）、中间级放大输出信号(V 2)以及末级放大输出信号(V out )进行采样，经过控制器计算出增益值（VinVout Av'=），将预置增益值Av 与Av'进行比较得出差值，主控制器以此差值为依据，控制中间级放大器和末级放大器的增益，最终实现预置输入的目的，原理图如图2所示。

图2 方案一原理框图方案二：以C8051F005单片机为控制器，输入信号通过前置放大、中间级放大，再经过通频带选择网络完成对通频带带宽的选择，由末级放大器输出。

通过键盘控制选择通频带带宽、电压增益等参数，并由显示器同步显示增益预置值和增益步进值，原理框图如图3所示。

图3 方案二原理框图方案一通过对各级放大器输出进行采样、分析后，调整各级放大器的参数，得到满足预置的参数要求。

由于本次设计要求的增益带宽积较高，仅用一级放大不可能同时满足增益和带宽的要求，但若采用多级放大，各级间产生的零点漂移现象很难通过程序抑制。

相比之下，方案二对硬件简化，由单片机直接根据预置输入，控制中间级放大和通频带选择网络获得所需的增益带宽积，中间级放大器产生的零点漂移，可以通过硬件电路之间的相互补偿被抑制，可以较好的解决本次设计的重点和难点。

且考虑到性价比，所以我们选择方案二。

2.3硬件模块设计2.3.1前置放大电路前置放大电路使用电压跟随器实现（如图4）。

考虑到本系统的通频带为0~10MHz ，为避免引入噪声，其输入阻抗必须限定在50Ω~100Ω之间，若电压跟随器的阻抗为R j ，图4电路的输入阻抗为k k k k R R R R R R R R ≈+*==jj j n i //。

实际电路取R k =100Ω,则n i R ＞50Ω。

此前置放大电路还具有缓冲、隔离的功能，其电压增益接近于1，运算放大器选用OPA642，此放大器的增益带宽积为400MHz 。

2.3.2中间级放大电路本级放大器由固定增益模块和增益控制模块组成，增益达42dB ，带宽为12.5 MHz ，实现增益从0dB 到42dB 可控，并能实现增益为5dB 步进。

电路的原理图如附录1所示。

1、增益带宽积OPA620集成运放的开环增益带宽积为200MHz ，为满足系统最大通频带为10MHz 的要求，由OPA620构成的单级闭环放大器的最大增益不能大于B MH MH MH dB A d 20z10z 200z10)(===增益带宽积。

由OPA620的幅频和相频特性得（如图5），当单级闭环放大器的增益为20dB 时，线性相位为零的最大频率约为3MHz ＜10MHz ，由此得出当单级闭环增益16dB 时，通频带为12.5MHz ，满足通频带带宽的设计要求。

若同时获得60dB 电压增益，至少需要四级放大。

图5 OPA620的幅频和相频特性第一级放大器，取R 1=100Ω，R 2 =100Ω，由公式16) R R 20lg(1 20lgAv 231=+= dB得R 3=530Ω，A v1 =6.3倍；同理可得第二级放大器： R 6 =630Ω， A v2 =6.3倍。

2、零点漂移零点漂移是指当放大器输入为零时输出不为零，且随时间漂移。

引起零点漂移的主要原因之一，是半导体元件参数随温度变化引起差分式放大电路不对称而导致的。

在设计的60dB 直接耦合放大器中，第一级的漂移经逐级耦合放大，其输出信号将淹没在漂移信号中，放大器无法正常工作。

由实验测得，单级OPA620产生的零点漂移是负漂移（见附录2）。

中放设计中我们抑制漂移的方法是，输入信号从第一级运放的正向端输入，输出至第二级运放的反向输入端，且由上述计算可得二级放大倍数均为6.3倍，所用元件参数尽可能一致，这种方法可使相邻两级的漂移相互抵消，最终可达到抑制漂移的目的。

3、增益控制模块在二级 6.3倍（16dB ）单闭环放大器级联后，再级联一级可变增益放大器（AD603）见附录3所示，以实现对电压增益预置和步进的控制。

AD603采用通频带为90MHz ，增益为-11~+31dB 的典型接法，见附录4所示。

AD603增益与控制电压的关系为AG （dB ）=40U g +10，输入控制电压U g 由AD603的1脚输入，控制电压范围为-0.5~+0.5。

单片机可以通过D/A （将数字量转换为对应的模拟电压量U g ）来控制AD603的放大倍数，中放的最大增益=31dB+16dB ×2。

设计时U g 取值范围为-0.5~0，从而实现增益从0dB 到42dB 可控，并能实现增益为5dB 步进。

2.3.3末级放大当系统负载电阻为（50±2）Ω时，最大输出电压V o ≥10V ，，则由公式o2R UP =可得，系统输出功率的最大值为W 08.225010P 2max =-=。

经前置放大和中放电路放大后，不具备驱动负载的能力，需经末级功率放大电路放大后才能达到系统对输出功率的要求。

参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为（50±2）Ω，输出有效值大于10V ，末级采用二级三极管直接耦合功率放大器，原理图如附录5所示。

末级放大电路的电压增益在第一级，第二级采用了一对孪生功放管D669A 和B649A （特征频率f T =140MHz ，Ic=1.5A ）进行功率放大。

整个电路设计有频率补偿，可对0到10MHz 的信号进行线性放大，放大倍数18//]//121r [)1(7108be1≈⨯+++=R R R R A V ）（ββ，在实际制作过程中通过调节可变电阻R 13调整反馈深度获得20dB 增益，使整个放大器的总增益为62dB ，在10MHz 以下的通频带内增益非常稳定，可有效抑制通频带内增益起伏的变化。

2.3.4通频带选择网络通过对继电器L 1和L 2触点的控制实现了系统通频带0~5MHz 和0~10MHz 两个范围预置，原理图如图6所示。

系统默认选择10MHz 通频带。

通过键盘选择通频带，当单片机的P0.5和P0.6口分别向三极管T 1和T 2的基极送高电平时，继电器的触点动作，使输入信号V 2经5MHz 的低通滤波器输出，即实现了预置0~5MHz 的通频带。

图6 通频带选择网络2.3.5电源模块设计的电源需提供单片机、显示器、前置放大器、中间级放大器和末级放大器所需的不同电压。

设计的电源原理图如附录6所示，三端稳压芯片7805、7905、LM317和LM337起稳压作用，2200uf 电解电容、100uf 和0.33uf 瓷片电容起滤除纹波作用，输出分别为V 5±、V 18±提供给各单元电路。

2.4 系统软件设计软件部分由增益预置模块、增益步进模块、显示模块和通频带选择模块等构成，主控制器根据增益预置值或增益步进值控制放大器的放大倍数，同时显示模块显示增益预置值或增益步进值，通过向通频带选择网络发控制命令可实现对系统通频带的选择。

软件流程图如下图7所示。

图7 系统软件流程图3设计实现1、抑制直流零点漂移。

实际设计电路时，输出漂移较为明显，由实验测得，单级OPA620产生的零点漂移是负漂移（见附录2）。

中放设计中我们抑制漂移的方法是，输入信号从第一级运放的正向端输入，输出至第二级运放的反向输入端，且由放大倍数相同和选用元件参数尽可能一致，这种方法可使相邻两级的漂移相互抵消，最终可达到抑制漂移的目的。

2、通频带内增益起伏控制及放大电路的稳定性。

设计电路电压增益在通频带内波动较明显，通过对各级放大电路进行频率补偿，在电源端增加去耦0.1uF 和100uF 电容，电容电阻的引线部分要尽可能的短，并且采用屏蔽盒对系统进行多点屏蔽。

实验证明，可有效抑制通频带内增益起伏的变化，同时增加了放大器的稳定性。

4 系统测试4.1测试条件和测试仪器设备系统容易受到温度和强磁场的干扰，测试时必须在室温且无强磁场干扰的条件下进行，并要确保供电电源的稳定性，测试使用的仪器设备如下表1所示。

表1 测试使用的仪器设备4.2测试方法和测试结果① 输入电阻的测试电路如附图7所示。

当R=0时，在输出电压波形不失真的情况下，用交流毫伏表测出输出电压U 01；当R 取固定电阻时，测出输出电压U 02，则有R UU U R o 2o 12o i -=调整测试电压Us 使输出电压U O1=10V,改变R 的阻值，取多次测量的平均值。

表2 输入电阻测试表Ω，50Ω的要求。

② 最大输出电压正弦波有效值的测试。

输入端V in 加入频率为500KHz 的正弦波，调节输入电压有效值（限制V in ≤10 mV ），测得输出最大不失真正弦波有效值V o =10.6V ，满足基本部分V o ≥2V 和发挥部分V o ≥10V 的要求。